생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 미생물로부터 의료용 고분자인 PLGA를 생합성하는 데 성공했다. 이번 연구 결과에 대한 논문은 지난 3월 7일 <네이처 바이오테크놀로지(Nature biotechnology)> 온라인판에 게재되었다.

기존에는 화학 공정으로 PLGA 합성해
PLGA(poly(lactate-co-glyco-late))*는 금속 촉매로 락테이트(la-ctate)와 글라이콜레이트(glycolate)의 화학적 반응을 일으키는 화학 공정을 통해 생산한다. 하지만 이 방법은 금속 촉매가 잔류할 수 있고, 한정자원인 데다 환경 문제를 유발하는 물질인 석유를 사용한다는 점에서 문제가 있다. 이에 연구팀은 바이오매스를 생물학적 방법으로 PLGA로 전환하는 공정을 개발하려 했다.

대장균 이용한 PLGA 생산 기술 개발
연구팀은 바이오매스를 영양원으로 삼는 균주(菌株)의 대사 조절을 통해 PLGA를 얻고자 했다. 대사 공정에 대해 많은 연구가 이루어져 개발이 쉬운 대장균을 선택했다. 연구팀은 일부 미생물에서 발견되는 PHA(poly-hydroxyalkanoate) 고분자 생합성 시스템을 발전시켜, 대장균을 이용한 PLGA 생산 시스템을 개발했다.

PHA 합성효소 변형해 PLGA 만들어
PHA 생합성을 하는 균주인 수도모나스(Pseudomonas)는 여러 가지 하이드록시아실-CoA(hydroxy-acyl-CoA)형태의 화합물로 고분자를 중합할 수 있는 PHA 합성효소를 가지고 있다. 하지만 이 효소는 락틸-CoA(lactyl-CoA)와 글라이콜릴-CoA(glycolyl-CoA)에 대해서는 활성이 거의 없어, 연구팀은 우선 두 물질 각각에 활성을 가지는 PHA 합성효소 변이체를 개발했다.

균주 대사 조절해 원하는 물질 합성
이후 연구팀은 이 효소로 PLGA를 생산하기 위해 대장균이 바이오매스 유래 탄소원으로부터 락틸-CoA와 글라이콜릴-CoA를 만드는 대사회로를 구축했다. 우선 대장균은 자연적으로 락테이트를 만들지만, 글라이콜레이트는 만들지 않기에 카울로박터(Caulobacter)로부터 댐스 대사회로(Dahms pathway)**를 도입해 글라이콜레이트를 생산할 수 있게 했다. 다음으로 가상 대장균 세포 모델 시뮬레이션을 통해 대사 흐름을 최적화해 락테이트와 글라이콜레이트를 고농도로 생산하는 대장균을 개발했다.

대장균 내 PLGA 합성 • 축적 가능해져
연구팀은 락테이트와 글라이콜레이트를 락틸-CoA와 글라이콜릴-CoA로 전환하기 위해 클로스트리디움(Clostridium) 균주가 가진 프로피오닐-CoA 전환효소(propio-nyl-CoA transferase)를 대장균에서 발현시켰다. 이를 통해 대장균 내에서 PLGA를 합성하고 축적할 수 있다. 축적된 PLGA는 대장균의 세포벽을 깨거나 용매를 추출해 쉽게 회수할 수 있다.

바이오매스 이용하는 친환경적 공정
대장균은 밀짚, 폐목재 등에서 얻을 수 있는 대표적인 목질계 바이오매스인 포도당과 목당을 영양원으로 사용한다. 따라서 연구팀이 개발한 공정은 버려지던 목질계 바이오매스를 PLGA로 전환하는 친환경적 공정이라 할 수 있다.

이번 연구는 최초로 미생물에서 PLGA를 생산하는 친환경적 생합성 공정을 개발했다는 점에서 의의가 크다. 이번 논문 제1 저자인 최소영 학우는 “이번 연구는 PLGA뿐만 아니라 다양한 합성 고분자를 생산하는 데 응용 가능할 것이다”라며 “다양한 물성을 가지는 고분자 생산과 생산 성능을 향상해 대량 생산을 시도하고 있다”라고 추후 연구 목표를 밝혔다.

PLGA*
락테이트와 글라이콜레이트의 공중합체. 생분해성, 생체 적합성을 가져 의료용 고분자로 많이 이용된다.

댐스 대사회로**
목당으로부터 피루베이트와 글라이콜레이트를 만드는 산화적 대사회로.